TPSM8291x 低噪聲降壓電源模塊：特性、應用與設計指南

在電子設計領域，對于低噪聲、低紋波電源的需求日益增長。德州儀器（TI）的 TPSM8291x 系列 3 - V 至 17 - V、2 - A/3 - A 低噪聲和低紋波降壓電源模塊，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多噪聲敏感應用的理想選擇。本文將深入探討 TPSM8291x 模塊的特性、應用場景以及詳細的設計要點。

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一、TPSM8291x 模塊特性剖析

1. 卓越的噪聲與紋波特性

TPSM8291x 模塊具有極低的輸出噪聲和紋波，輸出噪聲小于 20 μV_RMS（100 Hz 至 100 kHz），經過鐵氧體磁珠后輸出電壓紋波小于 10 μV_RMS。同時，它還擁有大于 65 dB（高達 100 kHz）的高電源抑制比（PSRR），能夠有效減少電源干擾對系統的影響。

2. 靈活的控制與調制選項

該模塊采用 2.2 - MHz 或 1 - MHz 固定頻率峰值電流模式控制，并支持與外部時鐘同步。此外，還集成了環路補償功能，可配合鐵氧體磁珠實現二階 L - C 濾波器，衰減達 30 dB。同時，還提供可選的擴頻調制功能，有助于降低 DC/DC 開關頻率的雜散信號。

3. 廣泛的電壓范圍與高精度輸出

輸入電壓范圍為 3.0 - V 至 17 - V，輸出電壓范圍為 0.8 - V 至 5.5 - V，能夠滿足多種不同應用的需求。輸出電壓精度達到 ±1%，確保了系統的穩定性和可靠性。

4. 豐富的功能特性

具備精確的使能輸入，允許用戶自定義欠壓鎖定和精確的時序控制；可調節軟啟動功能，避免啟動時的電流沖擊；電源良好輸出信號（PG）可用于判斷電源狀態；還提供可選的輸出放電功能。其工作結溫范圍為 - 40°C 至 125°C，- ET 版本的工作溫度范圍更寬，可達 - 55°C 至 125°C。

二、應用領域廣泛

TPSM8291x 模塊適用于多種對噪聲敏感的應用場景，如電信基礎設施、測試與測量設備、航空航天與國防（雷達、航空電子設備）以及醫療設備等。在這些應用中，低噪聲和低紋波的電源對于保證系統的性能和精度至關重要。

三、模塊詳細描述

1. 工作原理與架構

TPSM8291x 是一款高效的低噪聲、低紋波電流模式同步降壓電源模塊。它通過對內部參考電壓進行濾波，實現了類似于低噪聲 LDO 的低噪聲輸出。模塊采用 2.2 - μH 集成電感，工作在 2.2 MHz 或 1 MHz 的固定開關頻率下，并可與外部時鐘同步。通過添加可選的二階 L - C 濾波器，可進一步降低輸出電壓紋波。

2. 功能特性詳解

• 智能配置（S - CONF）：通過 S - CONF 引腳連接不同阻值的電阻，可配置模塊的開關頻率、擴頻調制、輸出放電和同步等功能。具體配置選項可參考文檔中的表格。
• 設備使能與同步（EN/SYNC）：將 EN/SYNC 引腳拉高可使能設備，使能后根據 S - CONF 引腳的配置設置工作模式。該引腳還可用于設備同步，外部時鐘頻率需在 S - CONF 引腳設置的同步頻率范圍內。
• 擴頻調制：可選的擴頻調制功能通過兩種不同的調制方案（隨機或三角調制）將開關頻率擴展到更大的頻率范圍，從而降低輸出頻譜中的雜散信號，適用于對噪聲敏感的 ADC 等應用。
• 輸出放電：根據 S - CONF 設置，可啟用或禁用輸出放電功能。啟用時，輸出電壓通過約 7 Ω 的放電電阻拉低，在熱關斷、欠壓鎖定或 EN/SYNC 引腳拉低時起作用。
• 欠壓鎖定（UVLO）：為避免在低輸入電壓下誤操作，當輸入電壓高于欠壓鎖定閾值時設備啟用，低于該閾值時設備禁用。
• 電源良好輸出（PG）：PG 引腳為開漏輸出，當 FB 引腳電壓高于標稱電壓的 95% 時，PG 引腳呈高阻態；低于標稱電壓的 90% 時，PG 引腳被拉低。可用于多個電源軌的時序控制。
• 噪聲降低與軟啟動電容（NR/SS）：連接到 NR/SS 引腳的電容可降低轉換器的低頻噪聲并設置軟啟動時間。電容越大，噪聲越低，啟動時間越長。模塊內部已連接 220 - nF 電容，默認啟動時間為 2.35 ms。
• 電流限制與短路保護：模塊具備短路和過流保護功能。當電感電流達到閾值 I_SWpeak 時，高端 MOSFET 關斷，低端 MOSFET 導通以降低電感電流。同時，低端 MOSFET 還設有負電流限制，防止電流反向流動。
• 熱關斷：當結溫超過約 170°C 時，模塊進入熱關斷狀態，具有 20°C 的遲滯。

3. 設備功能模式

• 固定頻率脈沖寬度調制（PWM）：為最小化輸出電壓紋波，模塊在輕載至滿載范圍內均采用固定頻率 PWM 模式工作。可通過 S - CONF 引腳選擇 1 MHz 或 2.2 MHz 的開關頻率。
• 低占空比操作：對于高輸入電壓或低輸出電壓的情況，70 - ns 的最小導通時間限制了輸入輸出電壓差和開關頻率的選擇。當達到最小導通時間時，輸出電壓會超過調節點。
• 高占空比操作（100% 占空比）：當輸入輸出電壓差較小時，模塊進入 100% 占空比模式，高端 MOSFET 持續導通。維持輸出電壓調節所需的最小輸入電壓可根據公式計算。
• 二階 L - C 濾波器補償（可選）：對于大多數低噪聲和低紋波應用，如 ADC、DAC 和抖動清除器等，可添加二階 L - C 濾波器進一步衰減輸出電壓紋波。模塊內部已對 L - C 濾波器產生的雙極點進行了補償，以提高負載調節性能。

四、設計與應用要點

1. 典型應用電路

文檔中給出了典型的應用電路圖，包括輸入電容、輸出電容、鐵氧體磁珠、反饋電阻等元件的連接方式。詳細的元件清單可參考文檔中的表格。

2. 設計要求與優化思路

外部元件的選擇需要滿足應用需求，并確保控制環路的穩定性。設計時可根據不同的應用目標進行優化，如效率、輸出紋波、元件數量和最低噪聲等。對于輸入電壓 ≤ 6 V 的應用，建議使用 2.2 - MHz 開關頻率；輸入電壓 > 6 V 的應用，可使用 1 - MHz 開關頻率以提高效率。對于需要 3.3 - V 輸出的時鐘和 PLL 電路，使用 2.2 - MHz 開關頻率可最小化輸出電壓紋波和低頻噪聲。

3. 詳細設計步驟

• 定制設計（WEBENCH 工具）：可使用 TI 的 WEBENCH? Power Designer 進行定制設計，只需輸入輸入電壓、輸出電壓和輸出電流等要求，即可優化設計參數，并獲得定制的原理圖、物料清單以及實時定價和元件可用性信息。
• 外部元件選擇
  • 開關頻率選擇：根據效率和紋波要求選擇開關頻率，并通過計算占空比和導通時間來確保選擇的開關頻率滿足最小導通時間要求。
  • 輸出電容選擇：單 L - C 系統設計中，有效輸出電容范圍為 40 μF 至 200 μF；使用二階 L - C 濾波器時，第一級 L - C 濾波器的輸出電容應在 40 μF 至 80 μF 之間，第二級至少為 20 μF，且兩級總電容不超過 200 μF。建議使用陶瓷電容（X5R 或 X7R），并注意其 DC - Bias 效應和 ESR、ESL 值。
  • 鐵氧體磁珠選擇：選擇在滿載時具有足夠高電感和低直流電阻（低于 10 mΩ）的鐵氧體磁珠，推薦在 100 MHz 時阻抗為 8 Ω 至 20 Ω 的磁珠。內部補償設計可確保在二階濾波器電感高達 50 nH 時穩定工作。
  • 輸入電容選擇：建議使用 X5R 或 X7R 陶瓷電容，輸入大容量電容可最小化輸入電壓紋波，同時還需在 VIN 引腳和 PGND 引腳之間放置小電容以減小輸入環路寄生電感。
  • 輸出電壓設置：通過選擇合適的電阻 R1 和 R2 來設置輸出電壓，范圍為 0.8 V 至 5.5 V。為提高反饋網絡的抗噪聲能力，可將 R2 設置為 5 kΩ 或更低。可選的前饋電容（C_FF）可進一步改善輸出噪聲，但需注意其對電源良好（PG）功能的影響。
  • NR/SS 電容選擇：NR/SS 電容影響總噪聲和軟啟動時間，推薦值為 220 nF，最大為 3.3 μF，對應啟動時間為 35 ms。可根據所需的軟啟動時間或所選電容值計算軟啟動時間。

4. 布局建議

• 輸入電容應盡可能靠近模塊的 VIN 和 PGND 引腳，避免使用過孔。
• 輸出電容的接地端應靠近 PGND 引腳，直接布線，避免過孔。
• 敏感走線（如連接到 NR/SS 和 FB 引腳的走線）應采用短走線，并遠離噪聲源。
• PSNS 引腳應通過過孔直接連接到系統地平面。
• SW 引腳必須浮空，不得連接到任何外部元件。
• 二階 L - C 濾波器應靠近負載放置，以減少輻射耦合。
• FB 電阻應靠近 FB 引腳放置，VOUT 連接應作為遠程感測走線連接到負載。

五、總結

TPSM8291x 系列降壓電源模塊以其低噪聲、低紋波、靈活的控制和豐富的功能特性，為電子工程師在設計噪聲敏感應用時提供了一個優秀的解決方案。通過合理選擇外部元件和優化 PCB 布局，可充分發揮該模塊的性能優勢，滿足不同應用的需求。在實際設計過程中，工程師們還需根據具體應用場景進行詳細的測試和驗證，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用 TPSM8291x 模塊進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。